計算流體力學—CFD技術在土木工程的應用淺析

摘 要：計算流體力學是基于計算機技術的一種數值計算工具， 簡稱CFD。CFD最早用于航空航天事業，后來逐漸延伸到化工、海洋、橋梁工程等多個領域。近年來， CFD也開始更多地應用到房屋建筑工程中，如對于高層建筑風場的模擬、采暖系統工程的模擬。CFD計算更適合于缺乏施工經驗，施工技術不是很完整的工程， 特點鮮明，成本低、周期短、效率高，可以對實際情況進行模擬，在邊界條件處理合理的情況下，計算結果準確，可以為后續工程提供參考。

關鍵詞：計算流體力學；發展；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.115

0 引言

計算流體力學是基于計算機技術的一種數值計算工。隨著計算機技術的不斷發展，計算流體力學在土木工程中的應用越來越廣泛。

1 計算流體力學在工程中的主要應用

（1）在橋梁工程中的應用。現在出現了很多橫跨大河或者海峽的大跨度橋梁，空氣動力學的研究在橋梁工程中的應用越來越廣泛。風荷載的作用使橋梁會發生震顫，橋梁本身在外荷載的作用下也會產生顫振；如果產出共振，盡管在風速并不大的情況下，共振是使橋梁發生破壞的主要原因。例如1942 美國的塔科馬海峽懸橋就在相當低的風速下受激振動而倒塌。因此橋梁的顫振，是橋梁在初步設計階段到可行性研究階段非常重要的問題。而傳統的風動試驗，存在模型和環境等模擬失真等問題，試驗條件也難以控制，這將會影響大跨度橋梁顫振穩定性的正確判斷。因此，尋找流體力學研究的新手段，以便為設計者提供更準確風的荷載影響數值。從20世紀60 年代開始，隨著計算機的出現，用計算機來模擬流體流動，即計算流體力學——CFD方法的出現，為風工程研究提供了一種新的手段，即“數值風洞”。通過大量的試驗，將數值風動與傳統的風洞試驗方法進行對比分析，其結果在分布規律上是一致的。

（2）計算流體力學在水利工程中的應用。波浪對港口和海岸工程產生很重要的動力影響。波浪在傳播過程中，由于地形變化和水工建筑物的影響，會產生繞射等現象，使得河口海岸地區的水動力條件非常復雜，過去在河口海岸工程設計中，除了理論研究和現場總結經驗外，主要藉助于水力模型試驗，解決了大量生產實踐中的問題。隨著海岸工程的規模不斷擴大，給水力模型試驗帶來一定的困難，也產生了一定的局限性。隨著電子計算機技術的不斷發展，以及分析海岸水動力現象的數學模型的發展，CFD在海岸工程中得到了廣泛的應用，它結合了數值方法水動力學方面的應用稱為“計算水力學”。比如在南海海域波浪計算中運用了波普模型，對海浪情況進行定期預報。比如對近海岸區域不規則波浪成長模型分析，找到了波浪呈周期性傳播變化的規律。比如三峽工程中，對長江中下游與上游航運的“瓶頸”現象進行三維仿真研究，對航運監控系統的建立有重要意義。

（3）計算流體力學在建筑工程中的應用。在房屋建筑工程中， 由于城市建設不斷向高度發展，樓宇建設而導致的街區小氣候問題越來越嚴重。因為高大建筑物的建設，在建成街區內會出現風口， 致使局部風速過大， 嚴重時會影響到臨近建筑物； 由于風速風向改變，火災發生時， 加速災害傳遞的， 增加損失；還會出現流動遲滯現象， 造成局部空氣嚴重污染。應用CFD技術可以對高大建筑群進行小氣候數值模擬，避免小氣候發生，減少環境污染和不必要的損失，提高設計質量。我國是一個能源大國，能源危機日益顯著，利用CFD技術模擬流體流動和熱傳遞，找到流動規律，進行控制設計，對提高暖通節能，發展綠色建筑有重要意義。利用CFD技術還可以解決建筑物在強風作用下的擺動等結構安全性問題。

（4）計算流體力學在現代建筑消防設計中的應用。當今建筑的發展是集安全、經濟和綠色環保于一體， 因此陳舊的為保證建筑安全而制定的消防規范對建筑設計的自由發揮會產生諸多的限制， 從上世紀80年代末開始，一些發達國家開始加強對消防設計體制的管理，推出了“個性化”設計體系。“個性化”設計體系的原意為“表現性”設計， 它不簡單照搬以前消防設計的技術要求， 而是依據每一棟新建筑的設計和火災原理及疏散的具情況來模擬火災時建筑的防災能力， 消防設計也從各個系統分支向總體集成發展。在模擬火災的過程中，火災的煙氣擴散模擬是最主要的一個分支，而煙氣擴散模擬依賴計算流體力學來實現，因此，計算流體力學也成為“性能化設計”的主要工具之一， 隨著現代計算機技術的發展， 計算流體力學在建筑消防設計中也將發揮越來越重要的角色。

2 計算流體力學的局限性

計算流體力學在應用中也有一定的局限性：（1）如何建立準確的數學模型，確定出和流動過程相關的邊界條件，得到該過程完整的控制方程存在一定的難度；（2）在數值模擬過程中要對流動進行有限元處理，而有限元法是從求解固體力學問題發展起來的，更適合低速流動的問題，如何更好的應用到高速流動中，有待進一步探索；（3）工程實際中存在很多湍流現象，湍流的難點是同一個流場中，流體質點尺度差異過大，且湍流本身是非線性行為，現有理論對湍流的數值模擬存在一定的局限性。

3 結論及展望

目前，CFD研究的主要問題是計算程序的穩定性，計算誤差和解的收斂性等， 以及CFD技術和軟件使用的成本。CFD技術在航空航天等空氣動力學領域取得了很大的成就，但在建筑工程中CFD的應用起步相對較晚，CFD與建筑工程相結合的過程中，需要處理復雜的流動現象， 即使是所謂的通用CFD軟件， 也不是適合于所有流體力學問題，需要我們根據研究的對象做準確的選擇。盡管有缺點， 作為一個新學科，CFD必然日趨成熟， 并且將在建筑領域獲得更廣泛的應用，為一些未知的領域提供技術參考。

參考文獻：

[1]傅曉英，劉俊，許劍峰，羅麟.計算流體力學在城市規劃設計中的應用研究[J].四川大學學報，2002（P63），P65.

[2]林秉南.流體力學在我國水利工程中的一些應用[J].災害學，2010：P271-273.

[3]李家春.現代流體力學發展的回顧與展望[J].力學進展，1995：P151-158.

[4]金杉，莊達民，張向陽.計算流體力學在現代建筑消防設計中的應用[J].建筑技術，2011：P174.

[5]陳耀松，單肖文，陳滬東.計算流體力學的新方向及其在工業上的應用[J].中國科學，2007：P54-57.

[6]董葒.建筑工程中的計算流體力學[J].山西建筑，2007：P362-263.

作者簡介：張愛玲（1977-），女，河北保定人，碩士，講師，研究方向：固體力學。